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        專用汽車推拉門設(shè)計方法研究

        2018-01-25 01:50:32王典1王海軍2
        專用汽車 2018年1期
        關(guān)鍵詞:推拉門斷面圖門洞

        王典1 王海軍2

        1. 中國第一汽車股份有限公司 吉林長春 1300112. 山東水星博惠汽車部件股份有限公司 山東德州 253300

        1 前言

        目前,在國內(nèi)專用汽車推拉門的設(shè)計中,關(guān)閉舒適性能方面的研究一直沒有得到設(shè)計人員足夠的重視,相關(guān)的評價指標沒有確定,這給產(chǎn)品品質(zhì)的評價和產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)帶來一定的風(fēng)險。車門關(guān)閉力是影響車門關(guān)閉舒適性的關(guān)鍵因素,關(guān)閉力的大小與車門的關(guān)閉速度成正比,研究均以速度這一指標進行[1]。

        下面以一港口專用牽引車駕駛室后車門的設(shè)計開發(fā)案例,對專用汽車推拉門設(shè)計開發(fā)過程進行總結(jié)。通過車門關(guān)閉速度試驗對專用汽車推拉門舒適的關(guān)閉速度進行求解,并引入專用汽車推拉門的評價指標。

        針對以往車門設(shè)計開發(fā)過程中,很多評價指標都要等到產(chǎn)品試制階段,才能經(jīng)過試驗驗證確定產(chǎn)品是否滿足評價指標。這種產(chǎn)品開發(fā)模式風(fēng)險高,時間長,成本高,已不能適應(yīng)目前數(shù)字化時代的產(chǎn)品開發(fā)需求。為此,通過數(shù)學(xué)方法對專用汽車推拉門最小關(guān)門速度V進行計算推導(dǎo),得出這一評價指標的理論計算分析方法。

        2 產(chǎn)品定義

        2.1 主要參數(shù)

        港口專用牽引車駕駛室后車門的具體參數(shù)如下:車輛側(cè)門離地高度為1 440 mm,且門側(cè)腳踏空間不足,不利于乘員上下車,乘員主要利用后車門上下車,側(cè)門主要用于傳遞單據(jù)。結(jié)合港口專用牽引車后車門的使用工況進行前期產(chǎn)品定義如下:

        a.開啟方式:推拉。駕駛室后側(cè)有貨箱,無法布置旋轉(zhuǎn)門,為滿足車門后部空間小且需滿足乘員上下車的需求,故推拉門為最佳方案。

        b.結(jié)構(gòu)形式:框架式。開發(fā)時間短,開發(fā)費用低,整體剛度好。

        c.總體尺寸:642 mm×1 805 mm×60 mm;后車門通過空間為515 mm,可同時供乘員上下車。

        d.總成質(zhì)量:26 kg。根據(jù)車門尺寸及項目要求確定。

        e.內(nèi)飾:平板內(nèi)飾??紤]到推拉門若采用有造型的凸起內(nèi)飾,車門開關(guān)時會與后圍干涉。

        f.鉸鏈總成:采用滾動軸承式,固定在拉門框架上側(cè)。滾動軸承強度好,且已形成系列化,產(chǎn)品質(zhì)量有保證、成本低。

        g.密封形式:一道半密封。防止水和灰塵進入車內(nèi),保證駕駛室內(nèi)的水、氣密封滿足要求。

        h.門鎖:具有雙側(cè)鎖止功能卡板鎖。在炎熱的季節(jié),駕駛員習(xí)慣開著后門開車;并且當牽引車未搭載貨箱時,駕駛員習(xí)慣打開后門向后看倒車。此兩種情況下保持車門在完全開啟狀態(tài)下鎖止更為安全。

        2.2 評價指標確定

        車門關(guān)閉力研究一直受到各大汽車生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注[4]。微車中門推拉門試驗準則,在車門關(guān)閉過程中,當車門到達門洞中間位置時,車門關(guān)門速度V≤1 m/s,車門能夠鎖止,為微車車門關(guān)閉舒適性能評價的重要指標。經(jīng)過使用工況比較,專用汽車推拉門關(guān)門工況與微車中門關(guān)門工況一致,對專用汽車推拉門也采用車門關(guān)閉速度這一評價指標進行試驗。評價指標車門關(guān)閉速度V的取值方法以提升產(chǎn)品品質(zhì)為導(dǎo)向,在試驗與方程計算中取小值。

        2.2.1 車門關(guān)閉速度試驗[1]

        根據(jù)體重選出輕、中、重試驗人員若干,在沒有安裝門洞密封條的樣車上模擬關(guān)門,通過試驗儀器測得試驗人員感覺較為舒適的關(guān)門速度,每人3次取平均值,試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 車門關(guān)閉速度試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(部分)

        2.2.2 繪制直方圖

        將試驗數(shù)據(jù)繪制直方圖,如圖1所示,可以看出試驗數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

        圖1 數(shù)據(jù)分布直方圖

        2.2.3 關(guān)門速度計算

        根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律,列出試驗樣本滿足方程式,正態(tài)分布曲線見圖2。

        圖2 正態(tài)分布曲線

        汽車車身附件的設(shè)計通常須滿足95%用戶的使用需求,求解V即為95%的用戶感覺舒服的關(guān)門速度范圍。關(guān)門速度求解示意圖圖3所示,方程如下:

        圖3 關(guān)門速度求解示意圖

        解得V=1.2 m/s。

        由車門關(guān)閉速度試驗驗證可知,95%的用戶可以接受的關(guān)閉速度為1.2 m/s,小于1.2 m/s則更佳。為提高產(chǎn)品品質(zhì),將關(guān)門速度引入專用汽車推拉門評價指標,其值設(shè)定為V≤1 m/s,保證95%以上的用戶對關(guān)門速度滿意。

        2.3 產(chǎn)品零件構(gòu)成

        專用汽車推拉門由車門FRP外板、車門玻璃、鋁合金內(nèi)飾蓋板、車門框架總成及車門附件組成。圖4所示為專用汽車推拉門零部件組成爆炸圖。

        圖4 專用汽車推拉門產(chǎn)品組成爆炸圖

        3 產(chǎn)品斷面設(shè)計

        3.1 鉸鏈斷面設(shè)計

        鉸鏈導(dǎo)軌斷面尺寸為49 mm×38 mm,料厚為2 mm。圖5為車門鉸鏈斷面圖。

        圖5 車門鉸鏈斷面

        3.2 門洞密封斷面設(shè)計

        為減少車門推拉過程中車門對密封條的摩擦,減小開關(guān)門力,車門采取梯形斷面,外表面平行于后圍。設(shè)計要求保證車門外表面與駕駛室整體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,確保車門密封性,減小開關(guān)門力,提升用戶舒適性。圖6為車門門洞密封斷面圖。

        圖6 車門門洞密封斷面圖

        3.3 窗口橫向斷面設(shè)計

        車門與門洞密封條形成面密封。后圍粘接一道密封條,駕駛室內(nèi)部不可見,當車門關(guān)閉時形成密封,提升美觀性的同時提高密封性能。圖7為窗口橫向斷面圖。

        圖7 窗口橫向斷面圖

        3.4 門鎖斷面設(shè)計

        門鎖實現(xiàn)雙側(cè)鎖止功能,保證車門能夠在關(guān)閉和全開狀態(tài)下鎖止;門鎖集成內(nèi)外把手和鎖芯,操作簡單,集成性強。圖8為門鎖斷面圖。

        圖8 門鎖斷面圖

        3.5 下裝配導(dǎo)軌斷面設(shè)計

        下裝配導(dǎo)軌采用POM材料,自潤滑性好,內(nèi)襯金屬骨架,通過螺栓連接固定在后圍上,拆裝方便,牢固可靠。圖9為下裝配導(dǎo)軌斷面圖。

        3.6 緩沖塊斷面設(shè)計

        緩沖塊采用橡膠材料,當車門開啟時可以緩解車門的慣性沖擊,起到保護車門及門鎖的作用。圖10為緩沖塊斷面圖。

        圖9 下裝配導(dǎo)軌斷面圖

        圖10 緩沖塊斷面圖

        4 車門結(jié)構(gòu)設(shè)計

        4.1 車門金屬框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

        圖11所示為車門金屬框架爆炸圖,表2為車門金屬框架構(gòu)件清單,金屬框架總質(zhì)量為13.8 kg。

        4.2 車門附件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        后車門附件包括車門玻璃、門鎖、鎖環(huán)、鉸鏈、緩沖塊、下裝配導(dǎo)軌、門洞密封條和后圍密封條。其中,車門關(guān)閉力大小的影響因素,密封條可占到20%~50%[5],同時具有緩沖關(guān)門沖擊,減輕汽車在行車過程中振動的作用[6]。車門附件總質(zhì)量為26 kg。

        表2 金屬框架構(gòu)件清單

        圖12 車門附件圖

        5 CAE分析

        CAE分析使用Nastran軟件完成。導(dǎo)軌材料采用St12冷軋鋼,料厚2 mm。約束鉸鏈導(dǎo)軌和下裝配導(dǎo)軌,對車門中梁Z向加載500 N(如圖13),經(jīng)CAE分析后,導(dǎo)軌的最大應(yīng)力為56.08 MPa,最大位移0.021 mm(如圖14)。

        約束鉸鏈導(dǎo)軌和下裝配導(dǎo)軌,對車門中梁X向加載500 N(如圖15),經(jīng)CAE分析后,導(dǎo)軌的最大應(yīng)力為87.31 MPa,最大位移0.121 mm(如圖16)。對Z和X向的加載分析,導(dǎo)軌的應(yīng)力和位移都較小,滿足使用要求。

        圖13 CAE分析結(jié)果a

        圖14 CAE分析結(jié)果b

        圖15 CAE分析結(jié)果c

        圖16 CAE分析結(jié)果d

        6 計算驗證

        以往車門設(shè)計開發(fā)模式,評價指標通常是在產(chǎn)品試制階段,經(jīng)過試驗驗證確定產(chǎn)品是否滿足評價指標,風(fēng)險高,時間長,成本高。通過專用汽車推拉門已知的零件參數(shù),利用數(shù)學(xué)方法對專用汽車推拉門最小關(guān)門速度V進行計算推導(dǎo),求得評價指標的理論計算方法,可在產(chǎn)品設(shè)計階段得知車門的關(guān)閉速度,降低開發(fā)風(fēng)險。

        影響專用汽車推拉門關(guān)閉速度的因素包括車門結(jié)構(gòu)、自重、鉸鏈、門鎖、導(dǎo)軌、緩沖塊、氣阻效應(yīng)、密封條及使用環(huán)境等[8],其中,車門自重、密封條、導(dǎo)軌和氣阻效應(yīng)對其影響最大,在不考慮氣阻效應(yīng)和其他附件影響的條件下,利用密封條、導(dǎo)軌和車門自重對車門關(guān)閉的阻力所做負功進行推導(dǎo),求取專用車推拉門最小關(guān)門速度V。計算推導(dǎo)過程如下:

        密封斜面與車門外表面的斜度控制在3°以內(nèi),從門洞密封條與車門接觸到車門關(guān)閉,車門通過的長度為總通過長度(車門寬度)的三分之一左右為宜,否則將影響車門厚度,占用車內(nèi)空間。

        6.1 門洞密封條做功推導(dǎo)

        門洞密封條做功示意如圖17、18所示,門洞密封條橫向長度為L,豎向長度為H;假設(shè)車門推拉時,當門洞密封條與車門剛接觸時,門洞密封條與車門未接觸長度為b,當車門關(guān)閉時門洞密封條壓縮量為a,當門洞密封條壓縮量為x時,門洞密封條與車門接觸長度為L-b+y,車門關(guān)閉時門洞密封條每米長度的正壓力為C,則:

        根據(jù)試驗得知,門洞密封條每米長度正壓力與壓縮量可以簡化成成線性比例關(guān)系,圖19所示。

        圖17 車門運動俯視圖

        圖18 門洞密封條示意圖

        圖19 門洞密封條每米長度正壓力與壓縮量關(guān)系圖

        可列公式求得門洞密封條上下兩端對車門的阻力所做的功:

        式中,F(xiàn)橫壓為當門洞密封條壓縮量為x時,門洞密封條上下兩端作用在車門的正壓力;μ2為車門與門洞密封條的橫向摩擦系數(shù);F橫阻為當門洞密封條壓縮量為x時,門洞密封條上下兩端作用在車門上的阻力;W橫為車門關(guān)閉過程中,門洞密封條上下兩端對車門的阻力所做的功。

        設(shè)豎向門洞密封條與車門接觸到車門關(guān)閉的行程為U,如圖20所示。則當門洞密封條的壓縮量為x時,可以求得車門關(guān)閉過程中,門洞密封條左右兩端對車門的阻力所做的功。

        式中,μ1為車門與門洞密封條的豎向摩擦系數(shù);F豎壓為當門洞密封條壓縮量為x時,門洞密封條左右兩端作用在車門上的正壓力;F豎阻為當門洞密封條壓縮量為x時,門洞密封條左右兩端作用在車門上的阻力;W豎為車門關(guān)閉過程中,門洞密封條左右兩端對車門的阻力所做的功。

        圖20 豎向門洞密封條剖面示意圖

        6.2 后圍密封條做功推導(dǎo)

        根據(jù)試驗得知,后圍密封條每米長度正壓力與壓縮量可以簡化成線性比例關(guān)系,如圖21所示。設(shè)當車門關(guān)閉時后圍密封條壓縮量為d,此時后圍密封條每米長度的正壓力為E,后圍密封條與車門的接觸長度為S,則可以求得后圍密封條對車門的阻力所做的功:

        式中,F(xiàn)側(cè)為當后圍密封條壓縮量為u時,后圍密封條作用在車門上的阻力;W側(cè)為車門關(guān)閉過程中,后圍密封條對車門的阻力所做的功。

        圖21 后圍密封條每米長度正壓力與壓縮量關(guān)系圖

        6.3 上導(dǎo)軌做功推導(dǎo)

        根據(jù)阻力公式:

        式中,F(xiàn)3為上導(dǎo)軌作用在車門上的阻力;m為車門整備質(zhì)量;g為重力加速度;μ3為車門鉸鏈軸承與上導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。得到上導(dǎo)軌對車門阻力所做的功為:

        式中,W3為車門在門洞中間位置,車門關(guān)閉過程中,上導(dǎo)軌對車門的阻力所做的功。

        6.4 下導(dǎo)軌做功推導(dǎo)

        下導(dǎo)軌處受到的壓力F下壓為門洞密封條作用于車門壓力的一半,可得公式:

        可以求得下導(dǎo)軌對車門的阻力所做的功為:

        式中,μ4為車門與下導(dǎo)軌的摩擦系數(shù);F下阻為當門洞密封條壓縮量為x時,下導(dǎo)軌作用在車門上的阻力;W下阻為車門關(guān)閉過程中,下導(dǎo)軌對車門的阻力所做的功。

        6.5 求最小關(guān)門速度

        根據(jù)動能定理:

        得到最小關(guān)門速度計算公式:

        式中,L為門洞密封條橫向長度,L=0.515 m;H為門洞密封條豎向長度,H=1.68 m;b為門洞密封條與車門剛接觸時,門洞密封條與車門未接觸長度,b=0.206m;C為車門關(guān)閉時門洞密封條每米長度的正壓力,C=35 N/m;U為豎向門洞密封條與車門接觸到車門關(guān)閉的行程,U=0.022m;E為后圍密封條每米長度的正壓力,E=60 N/m;S為后圍密封條與車門的接觸長度,S=1.733 m;d為車門關(guān)閉時門側(cè)密封條壓縮量,d=0.006 m;m為車門整備質(zhì)量,m=26 kg;g為重力加速度,g=10 m/s2;μ為車門與門洞密封條的豎向摩擦系數(shù),1μ1=0.72;μ2為車門與門洞密封條的橫向摩擦系數(shù),μ2=0.68;μ3為車門鉸鏈軸承與上導(dǎo)軌的摩擦系數(shù),μ3=0.04;μ4為車門與下導(dǎo)軌的摩擦系數(shù),μ4=0.14。

        將數(shù)值代入最小關(guān)門速度計算公式進行計算,求得專用汽車推拉門關(guān)門速度V=0.8 m/s<1 m/s,專用汽車推拉門設(shè)計方案符合設(shè)計要求。

        7 結(jié)語

        文章以一港口專用牽引車駕駛室后車門的設(shè)計開發(fā)為案例,總結(jié)了專用汽車推拉門的設(shè)計開發(fā)過程。通過車門關(guān)閉速度試驗對專用汽車推拉門的關(guān)閉速度進行求解,得到專用汽車推拉門關(guān)閉的舒適性的評價指標:最小關(guān)門速度V≤1 m/s,此值可作為此類產(chǎn)品的參考評價指標,應(yīng)用到產(chǎn)品的品質(zhì)評價中,提升產(chǎn)品品質(zhì)。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到專用汽車推拉門最小關(guān)閉速度這一評價指標的理論計算方法,可應(yīng)用于專用汽車推拉門評價指標的理論設(shè)計驗證計算,大幅度降低了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的風(fēng)險,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,提高開發(fā)效率,降低開發(fā)成本。設(shè)計開發(fā)人員對于類似產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)可引用借鑒。

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